CN106464139A - 用于变换电压的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于转换电压的电路装置，其具有直流变换器，所述直流变换器具有处于有源的变换器电流路径中的变换器电容器，其中电压相关的元件与变换器电容器并联。

Description

用于变换电压的电路装置
技术领域
本发明基于根据独立权利要求类型的用于变换电压的电路装置，其具有直流变换器，所述直流变换器具有处于有源的变换器电流路径中的变换器电容器。
背景技术
在电网电压处使用的直流变换器通常必须具有一定的耐压强度，以便允许其适于电网运行。在不同标准的范围内，即例如DIN VDE 100中要求该耐压强度。在已知的直流变换器中，通常在电网输入端处使用变阻器，所述变阻器导出或至少减小可能出现的过压脉冲。在通常使用的电路装置、即例如图1中示出的升压变换器中得到可喜的附加效果：因为在所使用的存储电容器C2和输入端U10之间的电流路径中仅设置有一个二极管D10，其也称作为变换器二极管，所以过压脉冲的一部分经由二极管D10导出到存储电容器C2中。在此，仅所使用的变换器二极管D10的导电性和开关速度和电感L10的阻抗是决定性的，以至于在输入端处安装的变阻器只必须导出输入的过压脉冲直至变流器二极管D10变为导通。
然而如果使用SEPIC变换器或变换器，那么出现如下问题：在输入端和存储电容器之间的电流路径中的变换器拓扑具有用于隔直的变换器电容器，使得进入的过压脉冲不能够被导出到存储电容器中。
下面，将Massey和Snyder于1977年介绍的、具有三个能量储存器(两个线圈和一个电容器)的变换器拓扑视作为SEPIC变换器(单端初级电感变换器)。该拓扑的细节例如可在相关的维基百科条目(http://de.wikipedia.org/wiki/SEPIC)中找到。
下面，将由Solbodan于1976年介绍的变换器拓扑视作为变换器。变换器也具有三个有源能量储存器(同样两个线圈和一个电容器)。该拓扑的细节例如可在相关的维基百科条目(http://de.wikipedia.org/wiki/％C4％86uk-Wandler)中找到。
图2示例地示出SEPIC变换器的原理电路图。C2是变换器的输出侧的存储电容器，C1是所谓的变换器电容器，所述变换器电容器使用在位于已知的变换器电路如升压变换器中的二极管的位置处。在此，变换器电容器接入到变换器的有源的变换器电流路径中。与升压变换器不同，可以借助SEPIC产生输出电压U2，所述输出电压既小于也大于输入电压U1。
下面将如下电流路径视作为有源的变换器电流路径，经由所述电流路径由直流变换器转换变换器功率。要以图2的电路为例对其进行阐述：在基本电路中，第一扼流圈L1、变换器晶体管Q1、变换器电容器C1、第二扼流圈L2和变换器输出二极管D1处于有源的变换器电流路径中。在该电流路径中流动有在直流变换器中转换的总功率或其一部分。扼流圈L1和L2可以是两个独立的电感或集成在芯上。
如果现在在输入端处流入过压脉冲，那么所述过压脉冲由于其单极性特性而不能够经由电容器C1和二极管D1流出，使得在变换器晶体管Q1处形成高电压。在现有技术中，已知具有根据图3的变阻器的电路。然而，现在变阻器必须设计成，使得能够导出整个过压脉冲并且能够转换成热。这需要具有大体积的大型构件，所述构件相应昂贵和笨重的。但是通常，该措施并无帮助，因为由于电路之内的过压脉冲的dU/dt高会造成在L1和C1之间的电压的过冲，由此会破坏Q1。此外，在SEPIC中和在变换器中对变换器二极管D1始终加载与变换器晶体管Q1相同的电压。因此，不仅危害Q1，而且也危害变换器二极管D1。图4示出针对其的示波图。通过R2将输入端U1处的例如683V的过压脉冲限制于560V。但是，Q1处的电压飙升到1.02kV。该过冲不能够通过输入侧的变阻器R2防止。
保护开关晶体管的另一方式在EP 1 526 622 B1中公开。在此，借助于电路检测瞬态响应，并且通过关断来保护开关晶体管免受高电流。但是，EP 1 526 622 B1也没有提供对过压的防护。
发明内容
本发明的目的是：提出一种用于转换电压的电路装置，其具有直流变换器，所述直流变换器具有处于有源的变换器电流路径中的变换器电容器，所述电路装置没有上述缺点。
所述目的的解决方案根据本发明借助用于转换电压的电路装置来实现，该电路装置具有直流变换器，所述直流变换器具有处于有源的变换器电流路径中的变换器电容器，其中电压相关的元件与变换器电容器并联。该措施有利地利用如下事实：在变换器电容器之上有高电势的情况下，电压相关的元件能够放电，使得直流变换器的晶体管受保护。在此，电势优选导出到与直流变换器的输出端并联的存储电容器中。
下面，将如下任一元件视作为电压相关的元件，所述元件具有根据施加在该元件上的电压而变化的数值。这种元件例如是变阻器、放电器或TVS二极管。
在一个实施方式中，直流变换器是SEPIC变换器。这具有的优点是：能够极其可变地调节直流变换器并且能够在宽的范围中设定输出电压。
在另一实施方式中，直流变换器是变换器。变换器具有的优点是：在相应地调节时能够用作为电流源，使得能够取消昂贵的和庞大的存储电容器。于是，可能出现的高电势有利地由电压相关的元件导出到地上。
在另一实施方式中，电压相关的元件是变阻器。变阻器是成本低廉的并且能够导出高电流。
在另一实施方式中，电压相关的元件是TVS二极管。TVS二极管快速地开关，使得快速的电势变化也不导致损坏。
在另一实施方式中，电压相关的元件是放电器。放电器在击穿时具有低的内阻并且极其快速地开关。因此，电路装置能够被特别良好地保护而免受高的且快速地出现的电势、如电压尖峰影响。
在另一实施方式中，能够将输入电压输入到直流变换器中，并且直流变换器构建用于将输出电压输出，其中输出电压小于输入电压。通过该措施，能够可变地调节电路装置并且适合于多种使用目的。
从其他的从属权利要求和从下面的描述中得出根据本发明的用于变换电压的电路装置的其他有利的改进形式和设计方案。
附图说明
根据下面对实施例的描述以及根据附图得到本发明的其他的优点、特征和细节，在所述附图中相同的或功能相同的元件设有相同的附图标记。在此示出：
图1示出升压变换器的已知的标准电路，
图2示出SEPIC变换器的已知的标准电路，
图3示出具有用于保护防止过压脉冲的、在输入端处的变阻器的SEPIC变换器的已知的标准电路，
图4示出在根据图3的电路中的输入端U1处的过压脉冲的示波图，
图5示出具有与变换器电容器并联的变阻器的电路装置的根据本发明的实施方式，
图6示出在根据图5的根据本发明的电路中的输入端U1处的过压脉冲的示波图，
图7示出在根据图5的根据本发明的电路中的输入端U1处的过压脉冲情况下经过变阻器R1的电流的示波图，
图8示出具有TVS二极管而不是变阻器的根据本发明的直流变换器作为用于LED的电子镇流设备的一个实施例，
图9示出具有与变换器电容器并联的变阻器的根据本发明的直流变换器作为变换器的实施例。
具体实施方式
图5示出具有与变换器电容器并联的变阻器的电路装置的根据本发明的第一实施方式。用于保护变换器晶体管以防过压的变阻器的该新型的布置相对于已知的在根据图3的变换器的输入端处的连接具有诸多优点。
如上面已经阐述的那样，在变换器电容器C1和变换器晶体管Q1之间的节点处形成高电压。即，在变换器电容器C1之上施加高的电压。因此，根据本发明的并联的变阻器R1从某一电压起变为导通并且经由二极管D1将过压脉冲导出到存储电容器C2中。在此，能量的大部分进入存储电容器C2中，由此，变阻器C1会是小的且成本低廉，因为所述变阻器不再必须吸收如现有技术中已知的解决方案中那么多的能量。
变阻器R1与C1并联的位置是有利的，因为在此变阻器的电容不干扰变换器开关Q1的开关特性。变阻器的电容大约仅为变换器电容器C1的电容的百分之一。在C1上不施加高频电压。
因此，根据本发明接线的变阻器引起：SEPIC或变换器在输入的过压脉冲方面表现类似于升压变换器，因为过压脉冲的能量能够导出到存储器构件中，在该存储器构件中所述能量于是用于变换过程。
图6示出在根据图5的根据本发明的电路中的输入端U1处的1.4kV至1.5kV的过压脉冲的示波图。可清楚地看到：变换器晶体管Q1处的最大电压为750V。过压脉冲的能量被导出到存储电容器C2中。由此，在C2处可看到：电压从200V到220V的短暂提高。在变阻器R1的击穿电压为550V的情况下，变换器晶体管Q1上的电压被限制于750V，其为200V和550V之和。通过开关边沿仅短暂测量到更高的数值。该变阻器的击穿电压必须选择成，使得不超过晶体管Q1的最大的耐压强度。
图7示出在上述过压脉冲为1.4kV至1.5kV的情况下经过变阻器R1的电流的示波图。
峰值为20A的电流IR1流动经过变阻器R1持续50μs。
图8示出具有TVS二极管而不是变阻器的根据本发明的直流变换器作为用于LED的电子镇流设备的一个实施例。TVS二极管同样适合作为电压相关的开关元件，以保护开关晶体管免受过压。原理上，在此可以使用任何电压相关的元件，还有电压相关的开关，如TVS二极管和放电器是适合的，因为这些元件相对于现有技术整体上必须吸收更少的能量，因为所述能量被转发给存储电容器。二极管阵列S3作为桥式整流器接入，所述桥式整流器将输入交流电压U3变换成脉冲式直流电压。在此，SEPIC直流变换器的输入端附加地还受变阻器保护，所述变阻器已经能够补偿许多出现的过压脉冲。由构件L1、Q1、变换器电容器C1、L2、D1和存储电容器C2构成的SEPIC变换器是已知的。多个LED D4至Dn的串联电路与存储电容器C2并联。用于限制电流的可变的电阻与LED串联。所述电阻例如可以作为线性调节器实现。根据本发明，将TVS二极管D2与变换器电容器C1并联。如果在变换器晶体管Q1和变换器二极管D2之间的节点处出现使TVS二极管击穿的电压，那么过压脉冲可以经由变换器二极管D1流出到存储电容器C2中。由此有效地保护变换器晶体管Q1。
在230V交流电网上运行时，该电路尤其适合于在0至300V之间的输出电压U2。在输出电压更高的情况下，Mos-FET Q1上的限制电压位于600V至800V的常见的耐压强度的范围之上。
图9实例地示出根据本发明连接的变阻器在变换器中的使用。所述变阻器的相对于SEPIC变换器的特征在于：第二扼流圈L2或L42和变换器二极管D1或D40被调换。
根据本发明与变换器电容器C41并联的变阻器R40在过压脉冲情况下从其阈值电压起变为低欧姆并且将过压脉冲的能量经由变换器二极管D40直接导出到地上。
附图标记列表
U1 输入端电压
R2 输入端处的变阻器
R1 根据本发明的布线中的变阻器
C1，C41 变换器电容器
Q1，Q40 变换器晶体管
D1，D40 变换器二极管
L1，L41 第一变换器扼流圈
L2，L42 第二变换器扼流圈
C2，C42 存储电容器

Claims (7)

1.一种用于变换电压的电路装置，其具有直流变换器，所述直流变换器具有处于有源的变换器电流路径中的变换器电容器(C1)，其特征在于，电压相关的元件(R1，D2)与所述变换器电容器(C1)并联。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述直流变换器是SEPIC变换器。
3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述直流变换器是变换器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述电压相关的元件是变阻器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述电压相关的元件是TVS二极管。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述电压相关的元件是放电器。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，其中输入电压(U1)能够输入到所述直流变换器中，并且所述直流变换器构建用于将输出电压(U2)输出，其特征在于，所述输出电压(U2)小于所述输入电压(U1)。
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